PERENCANAAN BATANG TORAK MOTOR BENSIN 4 LANGKAH 100 CC

PERENCANAAN BATANG TORAK MOTOR BENSIN 4 LANGKAH 100 CC Sasi Kirono, Ery Diniardi, Ridwan Adha Jurusan Mesin, Universitas Muhammadiyah Jakarta Abstrak. Dalam komponen motor 4 langkah batang torak merupakan komponen yang penting dalam meneruskan energi didalam ruang bakar ke poros engkol yang menghasilkan gerak putar. Dengan fungsinya untuk meneruskan gaya yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar dari torak ke poros engkol, maka batang torak membutuhkan kekuatan yang tahan terhadap beban dinamis. Untuk mendapatkannya diperlukan perencanaan yang baik. Kekuatan batang torak perlu diperhitungkan dengan menentukan gaya-gaya yang terdapat di bagian-bagian batang torak tersebut, seperti pada bagian ujung kecil, batang, ujung besar, sehingga kita dapat menentukan dimensi dari bagian-bagian itu. Beban dinamik sangat dominan dalam menentukan kekuatan dan ukuran dari batang torak. Oleh karena itu kita harus memperhitungkan faktor keamanan dan faktor konsentrasi tegangan pada setiap bagian dalam batang torak untuk mendapatkan hasil yang baik. Kata kunci: batang torak PENDAHULUAN Latar Belakang Penggunaan motor bensin 4 langkah pada saat ini semakin banyak digunakan pada kendaraan sepeda motor. Banyak merek-merek sepeda motor yang mengeluarkan motor bensin 4 langkah. Pada sepeda motor biasanya putaran mesin dapat mencapai 12000 rpm, sehingga diperlukan komponen-komponen mesin yang memenuhi syarat kekuatan selain mempunyai keunggulan-keunggulan tersendiri. LANDASAN TEORI Pengertian Mesin Kalor Pada External Combustion Engine proses pembakarannya terjadi diluar mesin itu sendiri, energi termal dari hasil pembakarannya dipindah ke fluida kerja mesin melalui dinding pemisah. Contohnya pada Turbin Uap. Pembakaran terjadi di Boiler, lalu energi termal berpindah dari gas pembakaran ke fluida kerja yang berupa air dan uap melalui dinding Boiler. Energi termal yang sudah berpindah ke uap air tersebut digunakan untuk memutar turbin uap, dengan cara mengarahkan uap tersebut untuk mendesak sudu-sudu turbin. Pada Internal Combustion Engine yang lebih dikenal dengan nama motor bakar, prose pembakaran berlangsung didalam mesin. Dengan demikian gas hasil proses pembakaran dapat digunakan langsung sebagai fluida kerja. Ada beberapa jenis mesin yang termasuk dalam Internal Combustion Engine ini, yaitu, Sistem Turbin Gas, Propulsi Pancar Gas dan Motor Bakar Torak. Mesin propulsi pancar gas adalah mesin yang menghasilkan gaya dorong. Gaya dorong tersebut terjadi karena adanya perubahan momentum gas yang mengalir melalui mesin tersebut. Dalam hal ini momentum gas yang keluar dari mesin dinaikan, terutama dengan menaikan kecepatannya setelah temperaturnya lebih dulu dinaikan, yaitu dengan mengalirkan melalui nozel. Makin tinggi perbedaan momentum antara gas yang masuk kedalam dan yang keluar dari mesin, makin besar pula gaya dorong yang dihasilkan. Dalam hal tersebut sistim turbin gas berfungsi sebagai pembuat gas panas. Contoh mesin propulsi pancar gas ialah turbo jet, ramjet dan roket. Pada motor bakar torak, bagian utamanya adalah silinder yang didalamnya terdapat torak. Torak bergerak translasi (bolak-balik) didalam silinder sebagai akibat takanan gas hasil pembakaran yang terjadi didalam ruang bakar silinder tersebut. torak dihubungkan dengan poros engkol sedemikian rupa, sehingga gerakan translasi tersebut menimbulkan putaran pada poros engkol dan demikian pula sebaliknya. 30

Motor Bakar Torak Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama yaitu motor Otto (Bensin) dan motor Diesel.10 Perbedan utama terletak pada sistem penyalaannya. Bahan bakar pada motor bensin dinyalakan oleh loncatan api listrik diantara kedua elektroda busi. Karena itu motor bensin dinamakan juga Spark Ignition Engines. Sedangkan motor Diesel, terjadi proses penyalaan sendiri, yaitu karena bahan bakar disemprotkan kedalam silinder berisi udara yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Bahan bakar itu terbakar sendiri oleh udara yang mengandung 21% volume O2, setelah temperatur campuran itu melampaui temperatur nyala bahan bakar. Sedangkan cara penyalaan dengan cara tersebut maka motor diesel disebut juga Compresion Ignition Engines. Berdasarkan posisi silindernya terhadap poros, motor bakar torak dapat dibagi menjadi beberapa jenis :10 a. Motor Bakar Torak Satu Baris (In-Line) Silinder motor bakar ini semuanya terletak pada satu baris seperti tampak pada gambar 1. Gambar 1. Motor Bakar Torak Satu Baris. 10 b. Motor Bakar Torak V (V-Line) Posisi silinder motor bakar torak jenis ini terdiri dari dua baris membentuk sudut seperti huruf V, dengan satu sumbu poros engkol, seperti diperlihatkan pada gambar 2. Gambar 2. Motor Bakar Torak V. 10 c. Motor Bakar Torak Berhadapan Susunan motor bakar torak ini terdiri dua baris berhadapan dimana tiap baris memiliki poros engkol sendiri, seperti diperlihatkan pada gambar dibawah. Gambar 3. Motor Bakar Torak Berhadapan. 10 d. Motor bakar torak Segitiga Susunan silinder motor bakar torak ini terdiri dari tiga pasang motor bakar torak berhadapan yang susunannya sedemikian rupa sehingga membentuk segitiga seperti pada gambar 4. Gambar 4. Motor Bakar Torak Segitiga.10 31

e. Moto Bakar Torak Horizontal Susunan silinder motor bakar torak jenis ini terdiri dari dua baris silinder yang bertolak belakang dengan satu poros engkol seperti pada gambar 5. Gambar 5. Motor Bakar Torak Horizontal.10 f. Motor Bakar Torak Radial Susunan silinder motor bakar torak jenis ini posisi silinder radial terhadap poros engkol seperti pada gambar 6. Gambar 6. Motor Bakar Torak Radial. 10 Berdasarkan jumlah langkahnya motor bakar torak dapat dikelompokan menjadi dua jenis yaitu, motor 4 langkah dan motor 2 langkah. Pada motor 4 langkah, dalam satu siklus pembakaran terdiri dari empat kali langkah piston, yaitu: langkah hisap, langkah kompresi, langkah kerja dan langkah buang. Sedangkan pada jenis motor 2 langkah, dalam satu siklus terdiri dari 2 langkah, yaitu langkah kompresi dan langkah kerja yang sekaligus merupakan langkah pembilasan (pembuangan dan pengisian). Prinsip Kerja Mesin Bensin Dalam mesin bensin untuk mengubah bahan bakar menjadi tenaga, campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder dan kemudian dikompresikan oleh torak saat bergerak naik. Bila campuran udara dan bensin terbakar dengan adanya api dari busi yang panas sekali, maka akan menghasilkan tekanan gas pembakaran yang besar di dalam silinder. Dari gerak lurus (naik-turun) torak dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol melalui batang torak. Gerak putar inilah yang menghasilkan tenaga pada mesin. Campuran udara dan bensin dihisap ke dalam silinder dan gas yang telah terbakar harus keluar, dan ini harus berlangsung secara tetap. Pekerjaan ini dilakukan dengan adanya gerakan torak yang turun naik di dalam silinder. Proses menghisap campuran udara dan bensin ke dalam silinder, mengkompresikan, membakarnya dan mengeluarkan gas bekas dari silinder,disebut satu siklus. Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah Prinsip kerja tersebut adalah : 8 Langkah Hisap Dalam langkah ini, campuran udara dan bensin dihisap ke dalam silinder. Katup hisap terbuka sedangkan katup buang tertutup.waktu torak bergerak ke bawah, menyebabkan ruang silinder menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bensin ke dalam silinder disebabkan adanya tekanan udara luar (atmospheric pressure). Langkah Kompresi Dalam langkah ini, campuran udara dan bensin dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak mulai naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA) campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperatur menjadi naik, sehingga akan mudah terbakar. Poros engkol berputar satu kali, ketika torak mencapai TMA. Langkah Usaha / Kerja Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga untuk menggerakan kendaraan. Sesaat sebelum torak mencapai TMA pada saat langkah kompresi, busi memberi loncatan api pada campuran yang telah dikompresikan. Dengan terjadinya pembakaran, kekuatan 32

dari tekanan gas yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin (engine power) Langkah Buang Dalam langkah ini, gas yang terbakar dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB ke TMA, mendorong gas bekas keluar dari silinder. Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan berikutnya, yaitu langkah hisap. Poros engkol telah melakukan 2 putaran penuh dalam 1 siklus terdiri dari 4 langkah, hisap, kompresi, usaha, yang merupakan dasar kerja dari pada mesin 4 langkah. Gambar 7. Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah Keuntungan dan kerugian mesin 4 langkah : Keuntungan mesin 4 langkah * Putaran mesin dapat lebih tinggi * Bahan bakar tidak dapat dicampur dengan pelumas * Efisiensi termal lebih tinggi * Pemakaian bahan bakar lebih ekonomis Kerugian mesin 4 langkah * Tenaga terjadi di setiap kali putaran poros engkol. * Kontruksi lebih rumit karena adanya mekanis yang tertutup. * Perawatan lebih sulit karena adanya komponen-komponen yang memerlukan penyetelan. METODOLOGI PENELITIAN Data Mesin dan Komponen Dalam merencanakan suatu batang torak dibutuhkan data data mesin yang cukup banyak. Data data ini sesuai dengan spesifikasi motor yang digunakan. Dibawah ini akan dijelaskan data data pada setiap bagian komponen mesin yang akan digunakan dalam perencanaan atau sebagai pembanding hasil perencanaan. Data-data yang diperlukan adalah : N = Daya maksimum = 8,3 Ps = 8,3 x 0,736 KW = 6108,8 watt n = Putaran poros engkol pada daya maksimum 8000 rpm = 8000 / 60 =133,33 rps ds = Diameter silinder = 49 mm = 0,049 m s = Panjang langkah (stroke) = 54 mm = 0,054 m z = Jumlah silinder = 1 a = Jumlah siklus per putaran = 1/2 (untuk motor 4 langkah) r = Jari-jari putaran poros engkol = 27 mm = 0,027 m θ = Sudut posisi penampang pada ujung kecil atau besar [ 0 ] L = Panjang batang torak yang diijinkan = 90,94 mm = 0,09094 m Ls = Panjang batang torak diantara permukaan bantalan = 69,44 mm = 0,06944 m Mp = Massa torak = 130 gr = 0,13 kg Data ujung kecil : dg = Diameter pin torak = 15 mm = 0,015m θs = Sudut posisi penampang ujung kecil = 45 o b = Tinggi penampang ujung kecil = 2,16 mm = 0,00216 m h = Lebar penampang ujung kecil = 14 mm = 0,014 m d = Diameter lubang pelumas = 4 mm = 0,004 m Data ujung besar : 33

dc = Diameter pin poros engkol = 28 mm = 0,028 m θb = Sudut posisi penampang ujung besar = 90 o b1 = Tinggi penampang ujung besar = 5,3 mm = 0,0053 m u1 = Tebal ujung penampang ujung besar = 4 mm = 0,004 m h1 = Lebar penampang ujung besar = 14 mm = 0,014 m Data sifat mekanis bahan : Material : Baja / ST 7900 UTS = Tegangan maksimum bahan = 790 MPa σty = Kekuatan tarik luluh ( yield ) bahan = 560 MPa σcy = Tegangan tekan luluh bahan = 587 MPa E = Modulus young / elastisitas bahan = 207 GPa ρ = Massa jenis bahan = 7833 kg/m3 Mulai Persiapan perencanaan Mencari data-data yang diperlukan Perencanaan Perencanaan awal Perencanaan bentuk batang (shank) Perencanaan bentukpenampang kecil Perencanaan bentuk penampang besar Data mesin dan komponen Data spesifikasi motor yang digunakan Data sifat mekanis bahan Data ujung kecil Data ujung besar Perhitungan Perhitungan gaya-gaya pada batang torak Perhitungan batang (shank) Perhitungan ujung kecil (small-end) Perhitungan ujung besar (big-end) A Hasil Perhitungan Kesimpulan Selesai Gambar 9 Flow Chart Perencanaan 34

ANALISA DAN PEMBAHASAN Perhitungan Gaya Gaya Perhitungan yang tidak boleh dilewatkan dalam merencanakan suatu batang torak adalah menghitung tekanan silinder dan gaya gaya yang ada dibagian batang torak. Perhitungan ini dimulai dengan menghitung kecepatan sudut pada poros engkol. Tabel 1 Perhitungan Gaya - Gaya Perhitungan Gaya Gaya No Perhitungan Hasil 1 Kecepatan sudut Poros Engkol 837,33 rad / s 2 Volume langkah Silinder 1,0177 x 10-4 m 3 3 Tekanan maksimum di dalam silinder 90040, 572 N / m 4 Gas pembakaran terhadap torak 16970, 71 N Percepatan yang terjadi pada setiap bagian komponen batang torak. 5 * Percepatan ujung kecil pada TMA *Percepatan ujung besar pada TMA * Percepatan ujung kecil pada TMB * Percepatan ujung besar pada TMB 24575,768 m/s 18949,639 m/s 13323,509 m /s 18949, 639 m / s 6 Gaya inersia yang ada pada setiap komponen batang torak. * Gaya inersia di ujung kecil pada TMA * Gaya inersia di batang pada TMA *Gaya inersia di ujung besar pada TMA *Gaya inersia di ujung kecil pada TMB *Gaya inersia di batang pada TMB *Gayainersia di ujung besar pada TMB 3194,849 N 3964,29 N 5546,41 N 1732,05 N 2149,202 N 3731,324 N 7 Massa total batang torak 114 gr 8 Gaya tekan atau kompresi pada tiap bagian batang torak. * Gaya tekan pada ujung kecil * Gaya tekan pada batang * Gaya tekan pada ujung besar - 1497,964 N - 2267,36 N - 3849,48 N Perhitungan Bentuk Batang ( Shank ) Dalam menentukan bentuk penampang batang perlu ditentukan dahulu luas penampang yang mempunyai satu variabel (t). Bentuk penampang batang yang dirancang dapat dilihat dalam teori dasar di bagian sebelumnya. Momen inersia dari bentuk batang juga perlu dihitung yang mempunyai satu variabel juga. Tabel 2 Perhitungan batang torak ( Shank ) Perhitungan batang No Perhitungan Hasil 1 Konstanta t 1,473 mm 2 Faktor keamanan beban tekuk kritis 7,6 ( aman ) Syarat 1,5 35

3 Tegangan tarik yang terjadi 135,47 Mpa 4 Faktor keamanan batang Perhitungan Bentuk Penampang Ujung Kecil ( Small End ) 2,8 ( aman ) Syarat 1,5 Tabel 3 Perhitungan bentuk penampang ujung kecil Perhitungan bentuk penampang ujung kecil No Perhitungan Hasil 1 Gaya yang terjadi pada ujung kecil 1344,405 N 2 3 4 Jarak pin torak ke sumbu tengah penampang ujung kecil Momen yang terjadi pada bagian penampang ujung kecil Jarak dari sumbu netral ke serat terluar ujung kecil 8,58 x 10-6 m 0,61482 Nm 1,0345 x 10-3 m 5 Jari jari lingkaran terluar ujung kecil 7,5 x 10-3 m 6 Tegangan maksimum 200 Mpa 7 Faktor keaman ujung kecil Perhitungan Bentuk Penampang Ujung Besar ( Big End ) 1,98 ( aman ) Syarat 1,6 Tabel 4 Perhitungan bentuk penampang ujung besar Perhitungan bentuk penampang ujung besar No Perhitungan Hasil 1 Gaya yang terjadi pada ujung besar 2817,576 N 2 3 Jarak dari sumbu poros ke sumbu tengah penampang ujung besar Momen yang terjadi pada bagian penampang ujung besar 16,3401 x 10-3 m 1,34583 Nm 4 Luas minimum penampang ujung besar 65,1 x 10-6 m2 5 Jari jari lingkaran sumbu netral ujung besar 16,22549 x 10-3 m 6 7 Eksentrisitas sumbu netral penampang ujung besar Jarak dari sumbu netral ke serat terluar ujung besar 0,1146 x 10-3 m 2,22549 x 10-3 m 8 Jari jari lingkaran terluar ujung besar 14 x 10-3 m 9 Tegangan maksimum 72 MPa 10 Faktor keaman ujung besar 5,48 ( aman ) Syarat 1,6 KESIMPULAN Dari hasil perhitungan pada perencanaan batang torak motor bensin 4 langkah 100 cc, didapat hasil sebagai berikut : 1) Panjang batang torak = 90,94 mm 2) Ukuran penampang batang B = 5,89 mm D = 10,31 mm H = 6,62 mm 36

L = 4,41 mm T = 2,50 mm M = 9,57 mm y B t x D M T L H x y Gambar 10 Bentuk penampang batang ( shank ) 3) Ukuran ujung kecil Diameter dalam = 15 mm b = 2,16 mm h = 14 mm d = 4 mm rc rn e d h co ci n b rc Gambar 11 Penampang Ujung Kecil ( small end ).9 4) Ukuran ujung besar Diameter dalam = 28 mm b1 = 5,3 mm u1 = 4 mm h1 = 14mm e1 c01 r01 ci1 b1 rc1 u1 rn1 h1 ri1 Gambar 12 Penampang ujung besar ( big end ).9 5) Faktor keamanan yang tinggi sangat diperlukan pada batang torak karena beban yang ada pada batang torak besar dan dinamis. Faktor keamanan pada bagian batang sangat besar untuk menghindari tekuk (buckling), kelelahan (fatique). SARAN 37

Untuk mendapatkan suatu hasil perencanaan yang baik dimasa- masa yang akan datang, oleh karena itu saya akan memberikan saran pada semua pihak yang bersangkutan dalam proses pengerjaan tugas akhir ini : 1) Perencanaan ini akan lebih baik jika dilakukan dengan analisis yang lengkap, oleh karena itu diperlukan pengujian kelelahan (fatique) komponen, untuk memperoleh pembebanan yang bervariasi. 2) Untuk menggunakan metoda perencanaan yang sangat medasar dalam teknik mesin perlu adanya kuliah perencanaan mesin ( khususnya peminatan kontruksi mesin ). 3) Untuk mengetahui terjadinya tekuk (buckling) pada batang maka diperlukan suatu pengecekan, biasanya faktor keamanan pada batang itu cukup besar karena tidak ada sirkulasi minyak pelumas. DAFTAR PUSTAKA 1. Arkhangelsky, Khovakh, Stepanov, Trusov, Vikhert, Voinov, Motor Vehicle Engines, Edisi Terjemahan, Penerbit MIR Publishers, Moscow, 1979 2. Daryanto, Motor Bensin Pada Mobil, CV.Yrama Widya, Malang, 2003. 3. Hall, Holowenko, Laughlin, Theory and Problem Of Machine Design, Penerbit Mc Graw- Hill Company, Edisi SI (metrik), Singapura, 1982 4. Heinz Grohe, Otto-Und Dieselmotoren, Penerbit Vogel-verlag 5. Lingaiah, K, Machine Design Data Handbook, Mc Graw Hill, 1994 6. Mallev, V. L, Internal Combustion Engine, Penerbit Mc Graw-Hill Company, Edisi II, 1979 7. Petrovsky, N, Marine Internal Combustion Engines, Terjemahan dari Bahasa Rusia oleh Horace E. Isakton, Mir Publisers, Moscow 8. PT. Toyota Astra Motor, New Step 1 Training Manual, Jakarta, 1996 9. Reaney,D, Ricardo, Classical Design Analysis Connecting Rod, Penerbit Ricardo Consulting Engineers Ltd, England, 1995 10. Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Edisi IV, Penerbit ITB, Bandung, 1988 38